Bei Giraffen unterscheidet man heute vier Arten und neun Unterarten. Die Verwandtschaft der Arten wurde mithilfe von DNA-Vergleichen aufgeklärt. Alle Arten und Unterarten werden heute als gefährdet eingestuft. Verschiedene Organisationen arbeiten zusammen, um die Biodiversität der Giraffen zu erhalten. Daran sind auch Zoos beteiligt.

1.

Beschreibe ausgehend von Material 1 den Ablauf der Polymerasekettenreaktion (PCR).

8 BE

2.

Begründe anhand der vorliegenden DNA-Sequenzen, welche der beiden Hypothesen zur Verwandtschaft der vier Giraffenarten wahrscheinlicher zutrifft (M 2).

14 BE

3.

Entwickle mithilfe von Material 3 eine Hypothese über den weiteren Verlauf der Artbildung bei der Nord-Giraffe.

9 BE

4.

Beurteile den Beitrag der Zoos zum Erhalt von Biodiversität am Beispiel des integrierten Schutzkonzeptes für die Nord-Giraffe (M 4).

9 BE

Material 1: Vervielfältigung von DNA durch die Polymerasekettenreaktion

Für die DNA-gestützte Verwandtschaftsanalyse der vier Giraffenarten musste die DNA sequenziert werden. Um eine solche Sequenzierung zu ermöglichen, muss die DNA aus einer Gewebeprobe zunächst durch eine Polymerasekettenreaktion (PCR) vervielfältigt werden. Abbildung 1 zeigt schematisch eine Ausgangssituation für eine PCR.

Abb. 1: Ausgangssituation für die PCR eines DNA-Abschnittes mit 800 Basenpaaren; Es sind nur die ersten und letzten zehn Basenpaare der zu vervielfältigenden DNA dargestellt.

Material 2: Verwandtschaft bei Giraffen auf Grundlage von DNA-Sequenzvergleichen

Man unterscheidet vier Giraffenarten: Die Nord-Giraffe (Giraffa camelopardalis), die Netz-Giraffe (G. reticulata), die Massai-Giraffe (G. tippelskirchi) und die Süd-Giraffe (G. giraffa). Zur Ermittlung der Verwandtschaftsverhältnisse zwischen diesen Arten wurde ein Teil ihres Genoms sequenziert (Tabelle 1). Die DNA-Sequenz des Okapis, dem nächsten Verwandten der Giraffen, entspricht dem ursprünglichen Zustand bei der Stammart von Okapi und Giraffe.

Mit den Daten sollten zwei konkurrierende Verwandtschaftshypothesen geprüft werden (Abb. 2).

Tabelle 1: DNA-Sequenzen der Giraffenarten. Dargestellt sind ausgewählte Positionen aus einem 733 Basenpaare langen DNA-Abschnitt. Unterschiede zum Okapi sind durch Fettdruck hervorgehoben.

Basenposition

17

18

19

20

…

51

52

53

54

55

…

83

84

85

86

87

…

731

732

733

Okapi (Außengruppe)

C

A

C

C

…

T

A

T

G

T

…

C

C

A

G

C

…

C

A

C

Nord-Giraffe

T

A

C

C

…

T

G

T

G

T

…

C

C

G

G

C

…

T

A

C

Netz-Giraffe

T

A

C

C

…

T

G

T

G

T

…

C

C

G

G

C

…

T

A

C

Massai-Giraffe

C

A

C

C

…

T

G

T

A

T

…

C

T

G

G

C

…

C

A

C

Süd-Giraffe

C

A

C

C

…

T

G

T

A

T

…

C

T

G

G

C

…

C

A

C

Abb. 2: Konkurrierende Hypothesen zur Verwandtschaft der Giraffenarten (Außengruppe Okapi)

Material 3: Verbreitung der Unterarten der Nord-Giraffe

Innerhalb der Nord-Giraffe (Giraffa camelopardalis) werden unter anderem die beiden Unterarten Westafrikanische Giraffe (G. camelopardalis peralta) und Kordofan-Giraffe (G. camelopardalis antiquorum) unterschieden. Diese beiden Unterarten zeigen morphologische Unterschiede (z. B. Fellmuster, Färbung, Körpergröße). Die Populationen der beiden Unterarten leben räumlich getrennt (Abb. 3). Durch die von Süden kommende feuchte Zuflussregion zum Tschad-See ist der Kontakt zwischen beiden zusätzlich eingeschränkt.

Abb. 3: Verbreitung der Westafrikanischen Giraffe und der Kordofan-Giraffe (n. Coimbra et al., 2021)

Material 4: Maßnahmen zum Erhalt der Biodiversität am Beispiel der Nord-Giraffe

Die UN-Agenda für Nachhaltigkeit führt den Erhalt der Biodiversität als wichtiges Ziel auf. Biodiversität umfasst dabei drei verschiedene Ebenen, nämlich den Erhalt der Artenvielfalt, den Erhalt der Vielfalt an Ökosystemen und den Erhalt der genetischen Vielfalt innerhalb einer Art. Weltweit arbeiten verschiedene Organisationen zum Erhalt von Biodiversität zusammen, z. B. staatliche Einrichtungen, Naturschutzorganisationen und Zoos.

Ein Beispiel sind die Bemühungen um die Nord-Giraffe. Vor allem menschliche Einflüsse haben dazu geführt, dass sich ihre Populationen in den letzten Jahrzehnten deutlich verringert haben und räumlich immer stärker voneinander isoliert sind. Westafrikanische und Kordofan-Giraffe sind mit aktuell noch etwa 600 bzw. 3200 Tieren die am stärksten bedrohten Unterarten der Nord-Giraffe.

Die Giraffen fressen Blätter, Früchte und Triebe hochwachsender Gehölze. Das Abfressen stimuliert die Produktion neuer Pflanzentriebe. Über den Giraffenkot werden Samen verbreitet, die in diesem mineralstoffreichen Substrat auch ein erhöhtes Keimpotential besitzen. Ihr erfolgreiches Auskeimen hat auch Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Nahrungsquellen für andere Wildtiere. Damit haben Giraffen einen gestaltenden Einfluss auf das Ökosystem.

Langfristiges Ziel der Bemühungen um die Nord-Giraffe ist der Erhalt mehrerer Populationen mit hoher genetischer Diversität. Verschiedene Organisationen haben sich daher auf einen integrierten Ansatz zum Schutz der Biodiversität verständigt. Bei diesem Ansatz werden Maßnahmen im Freiland und in Zoos ergriffen. Die Zoos unterstützen dabei Freilandprojekte zum Schutz der Giraffen sowohl finanziell als auch durch wissenschaftliche Studien. Individuen der in europäischen Zoos gehaltenen und gezüchteten Giraffen werden spezifisch für die einzelnen Unterarten zwischen Zoos getauscht, so dass genetisch divergente Populationen erhalten werden können. Eine Auswilderung von Giraffen aus Zoopopulationen erfolgt aktuell nicht. Als bedeutende außerschulische Lernorte sensibilisieren Zoos zudem für die Auswirkungen nicht-nachhaltiger menschlicher Verhaltensweisen auf die Biodiversität.

1.

Beschreibung des Ablaufs einer PCR:

M 1 zeigt, dass der PCR-Ansatz eine doppelsträngige DNA-Vorlage und zwei passende Primer enthält. Außerdem sind freie Nukleotide und die hitzestabile DNA-Polymerase nötig.

Die PCR ist eine Strategie zur Amplifikation (Vervielfältigung) von DNA oder RNA.

• Denaturierung: Die Doppelhelix wird bei einer Temperatur von ca. 90 °C in ihre beiden Einzelstränge aufgespalten. Das liegt daran, dass bei dieser Temperatur die Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Basenpaaren aufgelöst werden.

• Hybridisierung: Hier werden bei ca. 60 °C Primer komplementär an die zu vervielfältigenden Abschnitte angelagert.

• Polymerisation: Die sogenannte Taq-Polymerase synthetisiert bei ca. 70 °C, ausgehend von dem 3'-Ende des DNA-Primers, einen zum Matrizenstrang komplementären DNA-Strang.

• Dieser Zyklus wird so oft wiederholt, bis die gewünschte Menge des zu replizierenden DNA-Abschnitts entstanden ist.

2.

Begründung für Wahrscheinlichkeit der Stammbaumhypothesen:

Stammbaumhypothese A:

• Verwandtschaft aller vier Arten (gemeinsame Stammart) belegt durch Position 52 und 85 (jeweils Mutation A→G im Vergleich zum Okapi)

• gemeinsame Stammart von Nord- und Netz-Giraffe durch übereinstimmende Mutation an Position 17 (C→T) und 731 (C→T) begründbar

• gemeinsame Stammart von Süd- und Massai-Giraffe durch übereinstimmende Mutation an Position 54 (G→A) und 84 (C→T) begründbar

Stammbaumhypothese B:

• Verwandtschaft aller vier Arten belegt durch Position 52 und 85 (jeweils Mutation A→G im Vergleich zum Okapi)

• gemeinsame Stammart von Nord- und Netz-Giraffe durch übereinstimmende Mutation an Position 17 (C→T) und 731 (C→T) begründbar

• Die übereinstimmende Mutation bei Süd- und Massai-Giraffe an Position 54 (G→A) und 84 (C→T) lässt sich nicht widerspruchsfrei mit Hypothese B erklären. Es muss entweder jeweils eine zweimalig unabhängige gleichartige Mutation stattgefunden haben oder zweimal eine Rückmutation.

Fazit:

Die Stammbaumhypothese A erklärt das Mutationsgeschehen innerhalb der Giraffen schlüssiger.

3.

Entwicklung einer Hypothese zur Artbildung:

• Beide Populationen sind räumlich getrennt (vgl. Karte und Barriere durch Zufluss des Tschad-Sees) und haben unterschiedliche ökologische Ansprüche. → Unterbrochener Genfluss

• Beide Populationen haben unterschiedliche Umweltbedingungen bzw. Selektionsbedingungen (Dornbuschsavanne vs. Trockensavanne).

• Unabhängig auftretende zufällige Mutationen → unterschiedliche Merkmale → unterschiedliche Selektion wegen unterschiedlicher Umweltbedingungen → zunehmende Divergenz bis zum Auftreten einer Fortpflanzungsbarriere

4.

Beurteilung des Beitrags zum Erhalt der Biodiversität:

Vielfalt der Ökosysteme:

Giraffen haben einen gestaltenden Einfluss auf ihre Ökosysteme und vielfältige biologische Wechselwirkungen. Da aktuell keine Giraffen aus Zoos ausgewildert werden, tragen Zoos nur indirekt (z. B. durch Finanzierung von Schutzmaßnahmen, z. B. durch Bildungsangebote) zum Erhalt der Vielfalt an Ökosystemen bei.

Vielfalt der Arten:

Bedeutsamer Einfluss auf den Erhalt von Arten, wie der Nord-Giraffe durch Haltung und Zucht verschiedener Unterarten der Nord-Giraffe in Zoos

Genetische Vielfalt innerhalb einer Art:

Durch die koordinierte Nachzucht mit Austausch von Individuen zwischen Zoos wird die genetische Vielfalt innerhalb der Giraffenarten bzw. der Unterarten langfristig unterstützt.